Введение к работе
Актуальность работы.
Расширение границ практического применения структур полимеров, синтезируемых в тлеющем разряде пониженного давления связано с наличием сведений о кинетических особенностях формирования и свойствах конечного продукта. Многообразие возможных реакций в разряде пониженного давления и отсутствие прямых данных о его воздействии на различные соединения привели к тому, что исследование механизма воздействия низкотемпературной плазмы на конденсированную среду в значительной степени являются эмпирическими. Экспериментальные данные пополняют базу знаний, необходимую для понимания механизмов полимеризации и создания технологии направленного формирования структур с заданными свойствами.
Исследование свойств полимерных структур, синтезируемых в разряде пониженного давления, важно с практической точки зрения, так как этот метод предоставляет возможность получения материалов с улучшенными эксплуатационными характеристиками, отвечая жёстким экономическим и экологическим требованиям.
Химические реакции, протекающие при участии активных компонент плазмы разряда, проходят в условиях, зачастую недостижимых иными методами. Главным образом, это объясняется энергетическим воздействием широкого спектра энергий (ультрафиолетовое и инфракрасное облучение, электронная и ионная бомбардировка). Причём мощность, длительность и зоны воздействия могут изменяться в зависимости от поставленной задачи.
С точки зрения фундаментальных проблем науки, в частности химической физики, рассматриваемый вопрос непосредственно касается кинетических аспектов формирования плёнок и порошков в плазме разряда. Общенаучный интерес представляет исследование процессов самоорганизации в сложных неравновесных условиях.
Для дальнейшего развития в области полимеризации в тлеющем разряде вещества требуются новые экспериментальные подходы, направленные на исследование самороганизационных процессов, проходящих в неравновесных условиях. Разработка методов, позволяющих исследовать закономерности в поведении сложных систем частиц, также является приоритетной задачей современной науки. В частности, важна информация о статистическом распределении вовлечённых в процесс структурных элементов, причём как в объеме, так и на поверхности.
Работа выполнена в рамках Федеральной целевой программы "Научные и научно-педагогические кадры инновационной России" на 2009-2013 гг. Проекты: «Пленки и покрытия из адамантана, его производных и фторорганических соединений, сформированные в тлеющих разрядах пониженного давления». Государственный контракт П808 от 24 мая 2010 г; «Плазмохимический синтез пленок и порошков из адамантана и его производных в тлеющих разрядах пониженного давления». Государственный контракт П843 от 25 мая 2010 г.
Цель работы - определение кинетических закономерностей формирования нано- и микроструктур полимеров в условиях тлеющего разряда пониженного давления в парах адамантана (трицикло[3.3.1.1 ' ]декан), и его производных при различных условиях синтеза, свойств синтезированных соединений и установление связи между структурой и свойствами полученных полимеров.
Объект исследования - полимерные плёнки, частицы порошка и структуры на их основе, синтезируемые с применением тлеющего разряда пониженного давления в парах адамантана и его производных.
Решаемые задачи:
-
Исследование кинетических закономерностей формирования полимерных плёнок в разных областях реактора и на различных подложках (электродах, поверхностях, находящихся под «плавающим» потенциалом в разрядной и внеразрядной зоне) в тлеющем разряде постоянного и переменного (1 кГц) тока, при давлениях от 20 до 120 Па, плотностях тока разряда до 15 А/м в парах адамантана, 1,2 диметиладамантана, З-нитро-1-адамантанкарбоновой кислоты, М-адамантоил-0,о-дихлор-«-нитроанилина и N-адамантоил-л^-нитро-«-толуидина.
-
Определение свойств полимера, сформированного в плазме и вне её в зависимости от свойств среды и параметров разряда, а именно: количественные параметры поверхности формируемого полимера (микротопологя, фрактальные и статистические характеристики); плотность полимера; величина диэлектрической проницаемости; коэффициент прозрачности в видимом диапазоне; краевые углы смачивания; антибиотические свойств на примере гриба Aspergillus Niger.
-
Создание макрокинетической феноменологической модели формирования фрактальной поверхности и роста плёнок при полимеризации в тлеющем разряде с возможностью оценки влияния вклада объёмных процессов и непосредственного роста полимера на поверхности в процессе синтеза.
Научная новизна работы:
-
Впервые определены кинетические закономерности роста полимеров на различных подложках, синтезированных тлеющем разряде в парах адамантанаи его производных.
-
Впервые установлены такие свойства пленок из адамантана, 1,2 диметиладамантана, З-нитро-1-адамантанкарбоновой кислоты, N-адамантоил-0,о-дихлор-и-нитроанилина, М-адамантоил-./и-нитро-«-толуидина, как плотность, скорость роста, влияние сформированной на поверхности полимерной структуры на характер роста, протеолитическую и общую дегидрогеназную активности грибковой культуры Aspergillus Niger.
-
Впервые определены фрактальные характеристики поверхности синтезированной под воздействием тлеющего разряда в парах адамантана.
-
Впервые разработана макрокинетическая супрамолекулярная модель формирования фрактальной поверхности в условиях тлеющего разряда при наличии процессов объёмной полимеризации и осуществлены компьютерные расчеты различных вариантов модели.
Практически значимые результаты:
Определённые кинетические закономерности роста и свойства полимерных плёнок для разных условий синтеза могут использоваться при проектировании, оптимизации и автоматизации систем плазмохимического синтеза, создании моделей физико-химических процессов протекающих в неравновесной низкотемпературной плазме адамантана и его производных.
Взаимосвязь фрактальных характеристик и свойств синтезируемого полимера может быть использована при создании неразрушающих методов экспресс оценки контроля параметров и определения свойств формируемых полимеров.
Полученные данные по антибиотическим свойствам полимеров сформированных в тлеющем разряде в парах адамантана и его производных, могут найти практическое применение при производстве воздушных фильтров, покрытий полимеров, контактирующих с тканями человеческого организма: катетеры, беруши и т.д.
Основные положения и результаты выносимые на защиту:
-
Результаты определения кинетических закономерностей формирования полимера в парах адамантана и его производных под воздействием тлеющего разряда.
-
Оптические, диэлектрические, механические и антибиотические свойства полимерных структур, сформированных в тлеющем разряде в парах адамантана и его производных, определяются параметрами разряда (частотой, плотностю тока), свойствами среды (давление паров исходного соединения), а так же длительностью обработки.
-
Модель формирования фрактальной структуры, учитывающая одновременное формирование полимера на поверхности и в объёме разряда, точно отражающая изменение величины фрактальной размерности поверхности синтезируемого полимера.
-
Макрокинетическая модель роста полимеров в процессе низкотемпературной плазмохимической полимеризации в тлеющем разряде пониженного давления, при различных вкладах объёмных и поверхностных процессов.
Личный вклад автора заключается в непосредственном участии в постановке задачи, планировании и выполнении эксперимента по созданию опытных образцов, проведении расчетов, математической обработке, анализе и обобщении полученных результатов, обсуждении и оформлении полученных результатов, выработке практических рекомендаций.
Все использованные в диссертации экспериментальные образцы получены автором на установке, созданной им на базе универсального вакуумного поста в сотрудничестве с ведущим инженером кафедры ОФиФНГП Краснопёровым С.Д. (СамГТУ).
Компьютерная модель формирования структуры поверхности плёнки осаждением частиц из разряда по заданному распределению количества частиц определённого размера создана автором в сотрудничестве с к.ф.-м.н., доцентом кафедры ОФиФНГП Шацким А.В. (СамГТУ).
Исследования антибиотической активности синтезируемых структур проводились в сотрудничестве с Карасёвой Д.Н. (кафедра биохимии СамГУ).
Апробация результатов работы. Основные положения и результаты исследований диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих международных и российских научно-технических конференциях: пятом международном симпозиуме по теоретической и прикладной плазмохимии, Иваново 2008; конференции «Нанотехнологии - производству» -Фрязино 2008; на 17 международной конференции «Физика прочности и пластичности материалов». Самара 2009; международном симпозиуме «Перспективные материалы и технологии» Витебск (Беларусь) 2009; международной конференции, посвященной памяти М. А. Криштала «Актуальные проблемы прочности» Тольятти 2009 ТГУ; всероссийской конференции «Физико-химические аспекты технологии наноматериалов, их свойства и применение» НИФХИ им. Карпова, Москва 2009; девятой международной научно-практической конференции «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности» Санкт - Петербург 2010; международном симпозиуме «Перспективные материалы и технологии» Витебск (Беларусь) 2010; конференции «Нанотехнологии - производству» -Фрязино 2010; VII Международной научно-технической конференции "Актуальные вопросы биологической физики и химии. БФФХ-20П"; VI Международной научно-практической конференции «Спецпроект: анализ научных исследований» 2011, Днепропетровск, Украина; VI Международном симпозиуме по теоретической и прикладной плазмохимии. Иваново: ИГХТУ, 2011
Публикации. По теме диссертации опубликовано 23 печатные работы, из них: 12 статей, 4 из которых в рецензируемых научных журналах, определенных ВАК РФ.
